丁基橡胶类阻尼材料在装载机上的应用

徐丰辰，缪兴和，缪智刚

（柳州市兴拓工贸有限责任公司，广西 柳州 545006）

丁基橡胶类阻尼材料在装载机上的应用

徐丰辰，缪兴和，缪智刚

（柳州市兴拓工贸有限责任公司，广西 柳州 545006）

基于丁基橡胶类阻尼材料的减振性和装载机驾驶室的噪声特征、使用条件和标准要求，探讨了该材料的配方设计；通过案例，讨论了丁基橡胶类阻尼材料在装载机上的工程应用。

丁基橡胶；振动噪声；损耗因子

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口和矿山等建设工程的土石方施工机械，操作灵活，使用方便。由于采用了大功率的柴油发动机，而且发动机安装在驾驶室附近，装载机普遍存在驾驶室内噪声过大的问题。最新国家标准GB 16710—2010《土方机械噪声限值》规定，对于轮胎式的工程机械，在其最大功率下，其驾驶室内的噪声要小于或等于86 dBA。该标准经修订后，从2015年1月1日开始实施。与乘用车一样，降低装载机驾驶室的噪声，相对最有效的方法是在驾驶室的板件上附加阻尼材料，利用阻尼材料的黏弹性，控制振动，以降低噪声。装载机属大型工程机械，其减振降噪工程（NVH）有其自身的特点，用于装载机驾驶室上的阻尼材料有其特殊要求，需与装载机的噪声特征、噪声幅度和使用环境相匹配。

1　装载机的噪声特征和对阻尼材料的要求

装载机一般是在施工场地工作，工作温度在20～40 ℃之间，不存在受到轮胎与地面摩擦和行驶风噪的影响，其最大噪声源于发动机的激励。发动机的结构一般为直列6缸4冲程，每转1圈将有3次点火，最高转速不超过2 500 r/min，因此，装载机的噪声主要源于发动机的3阶激励，其100 Hz左右的低频影响相对最为严重，其振动噪声的量级要大于乘用车几个数量级；另一方面，与汽车生产过程不同，装载机驾驶室安装阻尼材料，一般在总装线上进行。

用于装载机上的阻尼材料，其Tg（玻璃化温度）应与工作温度相一致，有适宜的弹性模量，较高的阻尼系数，能在常温下自由使用。

2　丁基橡胶类阻尼材料

丁基橡胶（IIR）是合成橡胶的一种，是异丁烯和异戊二烯的共聚物，其分子结构中的异丁烯链段存在密集的侧链甲基，类似蠕虫状结构，该结构具有阻尼材料必须的黏弹性特征和较高的损耗因子，因此，可用作制造阻尼材料的基材。丁基橡胶的结构如图1所示。

图1　丁基橡胶的分子结构Fig.1　Molecular structure of butyl rubber

用在装载机上的阻尼材料，温度一般应在20～40 ℃之间，而丁基橡胶的Tg为 -7 ℃左右，因此需对丁基橡胶进行改性。改性方法一般选择与丁基橡胶分子结构相似、相容性较好、Tg高 于丁基橡胶的树脂材料，与丁基橡胶在开炼机上共混。图2是不同含量的某树脂与丁基橡胶共混后，Tg的 变化曲线。

图2中，Tg1是丁基橡胶的玻璃化温度曲线，Tg2、Tg3和Tg4是逐步增加树脂用量后，与丁基橡胶共混制备得到的共混物玻璃化温度曲线。由图2可知：随着树脂用量的增加，Tg向 高温方向移动，当树脂用量为丁基橡胶用量的40%时，共混物Tg提 高到30 ℃。

改性后的丁基橡胶，Tg达 到了使用要求，但在Tg附 近，损耗因子β还是较低。影响材料损耗因子的参数是弹性模量，在阻尼材料中，弹性模量太大，材料会进入玻璃态，太小会进入橡胶态，玻璃态和橡胶态下材料的损耗因子都很低，出现最大损耗因子的关键参数是转变态下的弹性模量，因此，提高阻尼材料转变态下的弹性模量是提高材料损耗因子的重要手段。对于丁基橡胶类的阻尼材料而言，一般通过添加炭黑、云母等类增强剂来提高丁基橡胶在转变态下的弹性模量，即提高了损耗因子，其中增强剂的粒径是影响弹性模量的重要因素。图3是增强剂粒径对损耗因子的影响。

图2　不同含量的树脂对丁基橡胶玻璃化温度的影响Fig.2　Effect of resin amount on butyl rubber Tg

图3　增强剂粒径对损耗因子的影响Fig.3　Effect of enhanced particle size on loss factor

图3中3条曲线的粒径关系是：粒径C＞粒径B＞粒径A，增强剂的粒径越小，比表面积越大，与丁基橡胶分子接触面越大，结合点越多，利用增强剂粒径的大小，可调整材料的弹性模量，使材料处于最大损耗因子状态。

在阻尼材料中，低频响应可通过增大温宽来补偿，阻尼材料的损耗因子对温度非常敏感，温度升高时，模态频率向下移动，即高温等效低频，提高高温段的性能，等效提高了低频响应的性能。

在丁基橡胶类阻尼材料中，可通过调整添加剂的含量来提高高温段的性能。图4是添加剂用量对损耗因子的影响。

图4中， M1、M2、M3是填充剂用量逐步增加的曲线，其中M2高温段的损耗因子有一定的提升，这可能是因为在高温段，丁基橡胶链段的运动加剧，链段与填料、填料与填料之间的摩擦使链运动相对滞后，阻尼角增大，损耗因子增大。

图4　填充剂含量的影响Fig.4　Effect of filler content on loss factor

3　案例

某公司装载机为柴油发动机，6缸4冲程，怠速800 r/min，最高转速2 500 r/min，要求进行阻尼减振降噪设计，驾驶室内噪声要小于86 dBA才符合国标要求。

3.1测定驾驶室阻尼处理前的噪声频谱

发动机怠速800 r/min时的频率为40 Hz；最高转速2 500 r/min时的频率为125 Hz，设定激励扫频频率为20～150 Hz，覆盖了发动机的整个工作状态，图5是该装载机驾驶室的声压级频谱。

图5　某装载机驾驶室的声压级频谱Fig.5　Sound pressure spectrum of one loader driving cab

由图5可知：驾驶室存在2个较大的噪声源，一个是82 Hz，声压级为0.12 Pa/N，对应发动机转速为1 640 r/min；另一个是94 Hz，声压级为0.06 Pa/N，对应发动机转速为1 880 r/min，其中，82 Hz噪声源最为严重，该驾驶室的噪声级换算到该车工作状态下，其最大噪声达88 dBA左右。

3.2测定驾驶室各板件的振动级

装载机驾驶室的主要噪声源来自发动机工作时对驾驶室板件的振动激励，以及由激励产生的板件响应的大小，上述试验将驾驶室板件划分70个测点，各测点上安装加速度传感器，图6、图7分别是噪声频谱中较高的2个噪声源（82 Hz、94 Hz）所对应的各板件振动级图。

图6　频率82 Hz时各测点板件的振动级Fig.6　Vibration level of measuring point panels at 82 Hz

图7　频率94 Hz时各测点板件的振动级Fig.7　Vibration level of measuring point panels at 94 Hz

由图6、图7可知：装载机驾驶室在白车身状态下，噪声声压级和板件的振动级是很高的，需用阻尼材料来处理，本案例选用丁基橡胶类阻尼材料，将材料附加到上述振动级较高的板件上进行阻尼处理，处理前后的驾驶室内的声压级频谱如图8所示。

由图8可知：82 Hz噪声源由附加阻尼前的0.12 Pa/N下降到0.013 Pa/N；94 Hz噪声源由附加阻尼前的0.06 Pa/N下降到0.010 Pa/N，整个驾驶室内的噪声环境得到了明显改善。

图8　驾驶室附加阻尼前后噪声声压级对比Fig.8　Noise pressure level before and after adding damping in the cab

经检测，处理后的驾驶室内噪声由88 dBA降至82 dBA，符合标准要求。

4　小结

以丁基橡胶为基材的阻尼材料，先用树脂材料调整其Tg以 达到使用的环境要求；然后加入适当含量的增强剂，调整其损耗因子；再选择合适的添加剂，改善材料的温宽，最后制备了适合装载机使用的阻尼材料。

该材料的应用领域可延伸至工程机械的各个车型，凡带有独立密封结构驾驶室的工程机械，如挖掘机、推土机和铺路机等等都可选用。

由于各类工程机械在国际市场的需求，振动噪声已纳入产品的质量控制范围，各生产厂家也都启动了工程机械的NVH工程设计，丁基橡胶类阻尼材料的应用范围也会越来越广泛。

Application of butyl rubber damping materials in loaders

XU Feng-chen, MIAO Xing-he, MIAO Zhi-gang
(Liuzhou Xingtuo Industry and Trade Co., Ltd., Liuzhou, Guangxi 545006, China)

Based on the vibration damping capability of butyl rubber, the noise characteristics and working conditions of loader driving cabs and the standard requirements of the damping materials, the formulation designment of butyl rubber damping materials in loaders was discussed.

butyl rubber; vibration noise; loss factor

TQ333.6

A

1001-5922（2016）10-0068-03

2016-03-09

徐丰辰（1953-），男，工程师。研究方向：减振材料的设计和在汽车上的应用。E-mail：xfc2002@126.com。